Do spalania każdego rodzaju paliwa (stałego, ciekłe-go i gazoweciekłe-go) potrzebny jest inny rodzaj paleniska i pal-nika. Paliwa odpadowe w zależności od wielkości gaba-rytów, w jakich się znajdują, w zależności od wilgoci i war-tości opałowej mogą być spalane na ruszcie poziomym, pochyłym lub schodkowym niekiedy chłodzonym wodą, a także w palniku pyłowym. Również sposób dozowania paliwa do komory spalania zależy od wymiarów geome-trycznych paliwa.
W przypadku ziaren o małych rozmiarach i trocin sto-suje się dozowniki komórkowe i ślimakowe oraz trans-port pneumatyczny. W starszych typach palenisk stoso-wane jest dozowanie grawitacyjne z leja zsypowego na ruszt mechaniczny.
Stałe paliwa odpadowe w postaci ziarnistej spalane są w kotłach rusztowych i kotłach komorowych przy po-mocy palników strumieniowych lub mieszanych, zainsta-lowanych na ścianie komory paleniska kotła. W kotłach rusztowych palniki mogą pracować samodzielnie bez wspomagania spaleniem na ruszcie innego paliwa, np. węgla kamiennego. Istnieją również palniki pyłowe wiro-we i strumieniowiro-we, w których spala się paliwo odpadowiro-we w postaci pyłu, ale spalanie to jest stabilizowane (wspo-magane) przez spalanie węgla kamiennego na ruszcie.
Palniki do spalania ziarnistego paliwa odpadowego mogą być zainstalowane również w technologicznych piecach muflowych i piecach obrotowych, gdzie spala-nie paliwa odpadowego jest stabilizowane spalaspala-niem pod-stawowego paliwa gazowego lub ciekłego. W zależności od mocy palnika na paliwo odpadowe w stosunku do mocy całkowitej uzyskanej w komorze spalania, w celu uzy-skania niskiej emisji tlenków azotu, stosuje się spalanie
Termiczna utylizacja odpadów zwierzęcych
Henryk Karcz
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej
ziarnistego paliwa odpadowego płomieniem przylegają-cym do płomienia paliwa zasadniczego lub płomieniem, który tworzy się dopiero w środku komory spalania, a po drodze ziarna paliwa odpadowego ulegają zgazowaniu, co powoduje redukcję tlenków azotu. Wprowadzenie jed-nak ziarnistego paliwa odpadowego nad warstwę spala-jącego się węgla na ruszcie nie zapewnia wymaganych warunków do utylizacji paliwa odpadowego.
Temperatury panujące nad rusztem są zbyt niskie i nie są wyrównane w całym przekroju poziomym komory ko-tła. Najdrobniejsze frakcje rozdrobnionego materiału od-padowego są wynoszone z komory kotła do powierzch-ni ogrzewalnych i do lejów zsypowych. W lotnym popie-le i żużlu znajduje się duża ilość nie spalonego paliwa odpadowego.
Gdy strumień spalanych odpadów jest stosunko-wo nieduży, a uziarnienie jest tego samego rzędu, wte-dy stosuje się zgazowanie odpadów w pierwszej czę-ści komory spalania, a uzyskany gaz dopala się w dru-giej części komory spalania. Istnieje także możliwość gazyfikacji pyłu w retorcie stacjonarnej i dopalanie w komorze spalania kotła. Niekiedy pył odpadowy może być zgazowany w retorcie fluidalnej, a otrzyma-ny gaz spalaotrzyma-ny w palniku gazowym umieszczootrzyma-nym w komorze kotła. Instalacje te są jednak kłopotliwe ze względu na wysoką emisję NOx i pyłów, które wyma-gają stosowania specjalnych układów odpylających i precyzyjnego ograniczenia powietrza podawanego do palnika
Sposób termicznej utylizacji odpadów organicznych, zwłaszcza mączki mięsno-kostnej, tłuszczów odpado-wych i innych przetworzonych odpadów pochodzenia zwierzęcego, charakteryzuje się tym, że odpady organicz-ne wprowadza się do komory obrotowej pieca i w czasie obrotów tej komory odpady rozdrabnia się, nagrzewa, suszy i poddaje pirolizie poprzez obróbkę termiczną w temperaturze powyżej 1000°C, w strefie początko-wej komory obrotopoczątko-wej. Do termicznej obróbki odpa-dów stosuje się zwykłe paliwo ciekłe lub gazowe. Wy-twarza się gaz pirolityczny, który po zmieszaniu z po-wietrzem wtórnym jako mieszanka gazowa spala się w komorze pieca obrotowego.
Andrzej Kozakiewicz
TKW Combustion1)
Dr inż. Henryk Karcz jest pracownikiem naukowym w Instytu-cie Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wro-cławskiej, a także prezesem spółki TKW Combustion z siedzi-bą w Głownie. Jest autorem 280 publikacji naukowych na temat spalania i 48 patentów i zastrzeżeń patentowych, a w 2002 r. otrzymał z rąk Prezesa Rady Ministrów nagrodę za wybitne krajowe osiągnięcia naukowo-techniczne. Wolny czas poświęca pszczelarstwu, sadownictwu, interesuje się także ornitologią i jest wielkim miłośnikiem przyrody. Mgr inż. Andrzej Kozakiewicz jest projektantem w TKW
Odpady organiczne, zwłaszcza mączki mięsno-kost-ne, tłuszcze odpadowe i inne przetworzone odpady po-chodzenia zwierzęcego jak dotychczas są spalane z du-żym powodzeniem w cementowniczych piecach obroto-wych w procesie wypalania klinkieru, z paliwem szlachet-nym lub mieszanką zawierającą paliwa szlachetne i alter-natywne. Odpady te są dodawane do pieca cementow-niczego przez główny palnik do płomienia z temperatu-rami od 1900 do 2000°C lub do gorącej części pieca ob-rotowego z temperaturami od 1400 do 1900°C. Część wartości energetycznej paliwa dotychczas stosowanego zastępuje się wówczas mączką mięsno-kostną, tłuszczem odpadowym lub innymi odpadami pochodzenia zwierzę-cego, które przy wysokich temperaturach i utleniającej at-mosferze piecowej z nadmiarem powietrza zostają spalo-ne z wykorzystaniem ich wartości opałowej. Nietoksyczspalo-ne spaliny po rozkładzie termicznym częściowo zostają wy-chwycone przy wypalaniu przeciwprądowym przez zmie-loną mieszankę surowców i tworzący się klinkier, a popiół powstały z minerałów kostnych po spaleniu przereagowu-je do masy klinkieru z mineralizującym działaniem tlenku fosforu P2O5 na tworzenie faz klinkierowych.
Metoda ta, mimo że jest bardzo skuteczna pod wzglę-dem pewności utylizacji materiałów zwierzęcych o naj-wyższym stopniu zagrożenia oraz przynosi bardzo wy-mierne korzyści ekonomiczne przy procesie wypalania klinkieru, stwarza duże utrudnienie dla zakładów zbywa-jących wymienione odpady. Przede wszystkim z powo-du dowozu materiałów na znaczne odległości, co zwią-zane jest ze specyfiką rozmieszczeń zakładów cemen-towniczych. Dla zbywających odpady system ten stano-wi znaczne obciążenie finansowe i organizacyjne.
Instalacja do termicznej utylizacji
odpadów zwierzęcych
Układ do spalania odpadów organicznych, zwłaszcza mączki mięsno-kostnej, tłuszczów odpadowych, składa się z następujących urządzeń:
n bunkra załadowczego, do którego odpad doprowadzo-ny jest za pomocą transportu pneumatycznego lub dowożony pojemnikami,
n podajnika ślimakowego, podającego pulpę do pieca,
n pieca obrotowego, gdzie następuje suszenie, zgazo-wanie i częściowe spalenie materiału,
n komory wylotowej, w której następuje spalenie gazów pirolitycznych wytworzonych w procesie zgazowania,
n paleniska fluidalnego, w którym ulega spaleniu karbo-nizat – pozostałość po odgazowaniu,
n kotła parowego, spełniającego funkcję kotła odzysk-nicowego.
Schemat instalacji przedstawiono na rysunku 1. Układ technologiczny i instalacja do spalania odpadów zwie-rzęcych są chronione patentami i zgłoszeniami patento-wymi [1–8], których właścicielem jest TKW Combustion
Głowno.
Opis instalacji
Komora pieca obrotowego wykonana jest z płaszcza zewnętrznego w postaci rury stalowej o średnicy ok. 1,5 m, długości 8 m z wewnętrzną wymurówką wykona-ną z ceramicznego materiału ognioodpornego. Wewwykona-nątrz komory umocowane są półki przesypowe, wykonane z profilowanych blach żaroodpornych. Komora obraca się za pomocą układu napędowego składającego się wień-ców napędowych i odpowiednio wyprofilowanych bieżni przyspawanych do płaszcza w początkowej i końcowej części obrotowej komory. Z uwagi na pochylenie komo-ry w kierunku wylotowym pod kątem od 1° do 2° w sto-sunku do poziomu, zabezpieczeniem przed przesunię-ciem są rolki oporowe, umieszczone pod tylnym wień-cem napędowym. W środkowej części obrotowa komo-ra posiada kilka rzędów otworów, wykonanych w płasz-czu i wymurówce. Od zewnątrz otwory osłonięte są cy-lindrycznym płaszczem z wlotem dla powietrza. Połącze-nie płaszcza cylindrycznego z obrotową komorą uszczel-nione jest sznurem grafitowym. Obrotowa komora od przodu zamknięta jest gardzielą czołową poprzez uszczel-nienia podobnego typu. Gardziel czołowa wykonana jest z płyty z wymurówką ognioodporną. Płyta czołowa w dol-nej swojej części posiada otwór, do którego doprowa-dzana jest pulpa tkanki zwierzęcej lub inne odpady zwie-rzęce, podajnikiem ślimakowym.
W osi gardzieli czołowej umieszczony jest palnik ole-jowy lub gazowy. Palnik znajduje się w kanale powietrza. W płycie czołowej płaszcza powietrza umieszczona jest również zapalarka, czujnik kontroli płomienia oraz wzier-nik służący do obserwacji płomienia. Kanał powietrza za-silany jest przez wentylator, klapę regulacyjną i klapę od-cinającą. Za klapą odcinającą zamontowany jest mano-metr kontrolny z zaworem odcinającym.
Komora wylotowa zamyka w części końcowej komo-rę pieca obrotowego i połączona jest z czopuchem spa-lin odprowadzającym spaspa-liny do płomienicy kotła odzy-sknicowego. W dolnej części komora wylotowa połączo-na jest z paleniskiem fluidalnym dla dopalenia stałej po-zostałości po odgazowaniu i częściowym wypaleniu w ko-morze obrotowej. Para wodna Sprężone powietrze Pulpa mączki
kostnej Wlot powietrza
fluidyzacyjnego Spaliny
do komory
kotła
Komora wylotowa wykonana jest z metalowego płasz-cza zewnętrznego i z ceramicznej wymurówki wewnętrz-nej. W górnej części komory umieszczony jest palnik sta-bilizujący, zasilany paliwem ciekłym lub gazowym. Pal-nik umieszczony jest w kanale powietrza. Wyposażenie palnika jest identyczne jak w przypadku palnika umiesz-czonego w gardzieli czołowej.
Komora wylotowa dolną częścią łączy się z fluidalną komorą spalania, która wykonana jest ze stalowego płasz-cza zewnętrznego z wewnętrzną wymurówką. Komora za-mknięta jest od spodu dnem sitowym. Powietrze fluidy-zacyjne doprowadzane jest do skrzyni umieszczonej pod dnem sitowym. Króciec zasilający skrzynię zasilany jest przez wentylator, kanał powietrza i klapę regulacyjną. Ze złoża fluidalnego popiół odprowadzany jest rurą zsypo-wą zamkniętą od spodu śluzą i połączoną z podajnikiem odprowadzającym popiół.
Czopuch odprowadzający spaliny wykonany jest ze stalowego płaszcza i żaroodpornej wymurówki. W czo-puchu na wlocie do płomienicy kotła odzysknicowego umieszczone są króćce do pomiaru temperatury spalin, do poboru próbek gazu do analizy chemicznej oraz do pomiaru ciśnienia w czopuchu.
Sposób termicznej utylizacji
odpadów zwierzęcych
Sposób termicznej utylizacji odpadów organicznych, w tym mączki mięsno-kostnej polega na tym, że odpady or-ganiczne wprowadza się do komory obrotowej 1 pieca ze-spolonego i w czasie obrotów tej komory odpady rozdrabnia się, nagrzewa, suszy i poddaje pirolizie. Termiczna obróbka wsadu następuje przy pomocy palnika głównego 4 zasilane-go ze zbiornika 7 poprzez węzeł armatury przypalnikowej 8 paliwem stabilizującym (ciekłym lub gazowym) oraz zasila-nego powietrzem pierwotnym i wtórnym z wentylatora 6.
Proces spalania paliwa stabilizującego jest tak prowa-dzony, aby temperatura w początkowej strefie komory w pobliżu ścian była wyższa od 850°C, a korzystniej, była wyższa od 1000°C. Przy termicznej obróbce odpadów ko-rzystnie jest stosować jako paliwo stabilizujące tłuszcz zwierzęcy, który przed spaleniem podgrzewa się do tem-peratury powyżej 80°C i rozpyla się przy pomocy pary wodnej lub, w przypadku jej braku, sprężonego powietrza. Ze spalania paliwa stabilizującego i pirolizy odpadów, wy-twarzający się gaz pirolityczny po zmieszaniu z powietrzem jako palna mieszanka gazowa spala się w komorze wylo-towej 2, natomiast wytwarzający się karbonizat pod wpły-wem sił ciężkości i obrotów pochylonej komory obrotowej
1 zsypuje się do paleniska fluidalnej komory 3, gdzie
ule-ga całkowitemu spaleniu. Palna mieszanka ule-gazowa i kar-bonizat zapalają się od płomienia zapłonowego palnika 5 osadzonego w górnej części komory wylotowej 2 i zasila-nego paliwem stabilizującym poprzez węzeł armatury przy-palnikowej 9 oraz zasilanego powietrzem pierwotnym i wtórnym z wentylatora 6.
Proces spalania paliwa w palniku głównym prowadzi się z lekkim niedomiarem powietrza w celu wytworzenia w początkowej części komory obrotowej lekkiej atmos-fery redukcyjnej, która zapobiega spalaniu gazów piroli-tycznych i nadmiernemu wzrostowi temperatury w komo-rze obrotowej 1.
Komora wylotowa połączona jest z czopuchem 10, który wprowadza spaliny do kotła odzysknicowego. Ko-mora wylotowa 2 wyposażona jest w króćce do pomiaru płomienia temperatury spalin i ciśnienia. Komora wyloto-wa 2 jest w dolnej części połączona z fluidalną komorą spalania zawierającą dno sitowe, króciec zasilający skrzy-nię powietrza, rurę zsypową popiołu z podajnikiem umieszczonym w zbiorniku napełnionym wodą. W płasz-czu i wymurówce czopucha spalin 10 są osadzone króć-ce do pomiaru temperatury, poboru spalin do analizy chemicznej oraz do pomiaru ciśnienia.
Fizykochemiczna charakterystyka odpadów
(mączki mięsno-kostnej
i tłuszczu zwierzęcego)
Wyniki analizy technicznej i elementarnej mączki mię-sno-kostnej przedstawiono w tabeli 1.
Mączka mięsno-kostna charakteryzuje się niską za-wartością wilgoci (w próbie dostarczonej Wr = 4.21) i dużą
zawartością popiołu (Ad = 18,58%).
Ilość części lotnych w próbie dostarczonej jest bar-dzo wysoka Vr = 71,50%, po przeliczeniu na próbę
su-chą i bezpopiołową (Vdaf = 91,68%) wskazuje, że prawie
cała substancja organiczna mączki mięsno-kostnej przy podgrzaniu do temperatury 830°C przechodzi w części lotne, które stanowią palny gaz węglowodorowy. Pozo-stała część substancji organicznej mączki, tzw pozosta-łość koksowa zwana karbonizatorem, składa się prawie w 100% z pierwiastka C.
Tabela 1 Analiza techniczna i elementarna
Analiza elementarna pozostałości koksowej oprócz pierwiastka C wykazała ślady siarki (Sdaf około 0,05%) i
śla-dy substancji mineralnej (Aorg. około 0,15%), które, jak można przypuszczać, organicznie były związane z pier-wiastkami w substancji organicznej mączki. Poza siarką i substancją mineralną w karbonizacie nie stwierdzono innych pierwiastków.
Mączka mięsno-kostna charakteryzuje się wyso-ką wartością ciepła spalania (23 979 kJ/kg) porów-nywalną z wysokiej klasy węglem energetycznym. Pod względem klasyfikacji węgli jest podobna do ni-skozapopielonego węgla brunatnego, a zwłaszcza do jego wysokożywicznej odmiany petrograficznej piro-pissytu.
Wysoka wartość ciepła spalania wynika głównie z wy-sokiej zawartości wodoru. Z kolei duża zawartość tlenu (Oa = 41,280%) stawia mączkę mięsno-kostną w gronie
paliw o dużej reaktywności i daje możliwość podawania mączki mięsno-kostnej do komory spalania z niewielką ilością powietrza. Tlen zawarty w substancji organicznej mączki stanowi prawie 40% tlenu niezbędnego do całko-witego spalania.
Niewielka zawartość siarki (Sa = 0,10%) wskazuje na
organiczne jej pochodzenie. Siarka ta w 100% jest siarką palną, związaną z substancją organiczną mączki kost-nej. W bardzo niewielkiej ilości nie stanowi ona żadnego zagrożenia dla otoczenia. Nie stwierdzono również w pro-duktach pirolizy żadnych związków siarki z węglem, wo-dorem lub azotem, które mogłyby stanowić zagrożenie ekologiczne.
Wysoka zawartość azotu (Na = 3,56), który
che-micznie jest związany z substancją organiczną mącz-ki będzie powodować powstanie tzw. paliwowych tlen-ków azotu. Pod względem zawartości azotu mączka znajduje się w gronie wysoko zaazotowanych węgli energetycznych.
Wysoka zawartość części lotnych Vdaf = 91,68%
po-woduje, że proces spalania mączki sprowadza się głównie do procesu pirolizy i spalania się wydzielo-nych gazów węglowodorowych. Faza ta wynosi 90% całkowitego czasu wypalania ziaren mączki.
Określona w warunkach standardowych wynika-jących z PN ilość części lotnych pochodzi z procesu powolnego nagrzewu substancji organicznej mącz-ki. Warunki procesu spalania mączki w komorze ko-tła odbiegają znacznie od warunków określonych w PN. W trakcie procesu spalania temperatura ośrod-ka, do którego wprowadza się mączkę, jest znacznie wyższa i wynosi około 1600°C. Proces termiczny prze-miany mączki przebiega w warunkach tzw. szybkiej pirolizy, w której w gaz węglowodorowy przechodzi większa masa substancji organicznej mączki. Okre-ślona w tych warunkach ilość części lotnych Vdaf=
96,47%. Pozostała część mączki w ilości niecałych 4% występuje jako karbonizat o bardzo wysokiej po-rowatości ( około 85%) i spala się w postaci fazy stałej.
Analizy dotyczące składu elementarnego i własności fizykochemicznych tłuszczu (tab. 2) oraz wyniki badań procesu spalania nie świadczą o zagrożeniu ekologicz-nym przy jego termiczekologicz-nym przekształcaniu. Określony skład chemiczny oraz własności energetyczne i fizyczne nie wskazują na możliwość powstania związków szkodli-wych dla atmosfery. Zawartość siarki jest śladowa (ok. 0,05%) i wskazuje na obecność siarki, która biologicznie jest związana z substancją organiczną tłuszczu. Zawartość ta jest znacznie mniejsza od zawartości siarki w olejach lekkich; napędowym i opałowym. Podobnie zawartość azotu (ok. 0,8%) można określić jako azot organiczny zwią-zany biologicznie z substancją tłuszczową zwierząt.
Zawartość wilgoci i popiołu jest porównywalna z wiel-kością osadu i ilością wody w oleju opałowym. Ciepło spalania jest wyższe od ciepła spalania ciężkich olei opa-łowych (mazut) i jest porównywalne z ciepłem spalania lekkich olei opałowych. Analiza chemiczna tłuszczu nie wykazała innych pierwiastków lub związków chemicz-nych, które podczas spalania mogłyby generować sub-stancje szkodliwe dla otoczenia.
Badania procesu spalania tłuszczu w instalacji do-świadczalnej o mocy 15 MW wykazały, że przy optymal-nej pracy palnika proces spalania jest całkowity i zupeł-ny, tzn., że w spalinach jest zawarty jedynie dwutlenek węgla (CO2), para wodna (H2O) i azot atmosferyczny (N2) ze śladami dwutlenku siarki (SO2) oraz tlenku azotu (NOx) poniżej 200 mg/ m3.
Na podstawie przeprowadzonych analiz i badań pro-cesu spalania można stwierdzić, że przebadany tłuszcz może być wykorzystywany do przekształceń termicznych jako paliwo stabilizujące proces zapłonu i spalania mączki kostnej bez jakichkolwiek zagrożeń ekologicznych.
Tabela 2 Analiza techniczna i elementarna tłuszczu zwierzęcego
Technologia spalania odpadów
Komora pieca zespolonego, układ zasilania paliwem stabilizującym i odpadami zwierzęcymi oraz układ tech-nologiczny kotła posiadają pełny monitoring. Układ kon-trolowany jest przez system oparty na programowalnym sterowniku SIMATIC S7-300 wyposażonym w system wi-zualizacji parametrów pracy.
Odpady zwierzęce do komory obrotowej pieca zespo-lonego można dostarczać w postaci: surowej, pulpy, czę-ściowo przetworzonej w destruktorach lub w postaci mączki mięsno-kostnej.
Technologia spalania mączki mięsno-kostnej Zapłon i stabilizacja procesu spalania mączki kostno--mięsnej (SRM) odbywa się od żagwi płomienia stabili-zującego. Żagiew płomienia powstaje ze spalania oleju, gazu, a korzystnie tłuszczu zwierzęcego w palniku gazo-dynamicznym z wewnętrznym mieszaniem i rozpylaniem parowym [1–3].
Wprowadzenie mączki mięsno-kostnej w ruch wiro-wy zapewnia dostateczny czas pobytu ziaren mączki w strefie wysokich temperatur (powyżej 1200°C), które za-pewniają całkowite wypalenie ziaren mączki. Po wpro-wadzeniu mączki mięsno-kostnej w strefę czoła płomie-nia stabilizującego o temperaturze 1580°C następuje szybka piroliza ziaren mączki, podczas której wydziela się ok. 90% (udziału masowego) części lotnych. Części lotne w postaci gazowej spalają się zupełnie w strefie wysokich temperatur płomienia tłuszczowego w atmos-ferze bogatej w tlen do CO2, H2O w obszarze komory wylotowej.
Pozostałość koksowa (ok. 10% udziału masowego) po odgazowaniu znajduje się w strefie temperatur powy-żej 1300°C, które zapewniają całkowite wypalenie ziaren pozostałości koksowej powstałych w wyniku szybkiej pi-rolizy mączki mięsno-kostnej.
Proces szybkiej pirolizy mączki mięsno-kostnej prze-biegający w strefie czoła frontu płomienia stabilizujące-go zapewnia z jednej strony przejście około 90% udziału masowego mączki w fazę gazową, która łatwo ulega za-płonowi i zupełnemu spaleniu, a z drugiej strony powo-duje powstanie ziaren karbonizatu o bardzo wysokiej re-aktywności, która zapewnia całkowite i zupełne spalenie bez emisji substancji szkodliwych w gazach spalinowych oraz śladów substancji organicznej w odprowadzanym popiele.
Technologia spalania tłuszczu zwierzęcego Do spalania tłuszczu zostały zastosowane lance palników gazodynamicznych z wewnętrznym miesza-niem typu K chronione patentami [1–3] o wydajności nominalnej 300 kg/h i płynnej regulacji w zakresie od 30 do 400 kg/h przy zachowaniu całkowitego i zupeł-nego spalania.
Podstawowe parametry pracy palnika to: rodzaj, ci-śnienie i temperatura substancji rozpylanej i czynnika rozpylającego.
Ciśnienie substancji rozpylanej zmienia się od 0,05 do 1,0 MPa, a czynnika rozpylającego od 0,2 do 1,5 MPa. Zużycie czynnika rozpylającego w zależności od stopnia obciążenia palnika zmienia się od 7 do 15% zużycia sub-stancji rozpylanej, czyli tłuszczu zwierzęcego. Czynnikiem rozpylającym może być para wodna wilgotna lub prze-grzana albo powietrze. Temperatura pary może się zmie-niać od minimalnej temperatury pary nasyconej do mak-symalnej rzędu 620 K, co podyktowane jest dopuszczal-ną temperaturą pracy armatury odcinająco-sterującej. Temperatura powietrza może być równa temperaturze otoczenia lub równa dowolnie wyższej temperaturze, lecz niższej od 620 K. Temperatura (substancji rozpylonej) tłuszczu musi zapewnić lepkość umożliwiającą przepływ tłuszczu rurociągami zasilającymi. Im wyższa temperatu-ra tłuszczu, tym jego lepkość jest niższa (rys. 2) i tym lepsze są warunki do transportu i do rozpylania w głowi-cy palnika.
Rys. 2. Zależność lepkości kinematycznej tłuszczu od temperatury
Lepkość tłuszczu powyżej 373 K praktycznie nie ule-ga zmianie i nie obniża się ze wzrostem temperatury. Przy temperaturze 372 K osiąga wartość około 9,2 cSt i jest graniczną wartością lepkości tłuszczu zwierzęcego nie-zależną od temperatury.
Badania procesu spalania obejmowały:
n rodzaj i moc źródła zapłonowego,
n sposób doprowadzenia powietrza do spalania,
n rodzaj i sposób stabilizacji frontu płomienia,
n sposób i rodzaj dozoru płomienia,
n skład mieszanki palnej wzdłuż żagwi płomienia
n skład spalin na wylocie z komory spalania.
Badania nad rodzajem i mocą źródła zapłonowe-go [9] wykazały, że bardzo wysoką skuteczność za-płonu tłuszczu osiąga się przy zastosowaniu wysoko-energetycznej zapalarki elektrycznej firmy Fireye, za-silanej prądem o napięciu 220 V. Moc wytwarzanej iskry rzędu 10J jest wystarczająca do skutecznego uruchomienia palnika.
Wysokoenergetyczna zapalarka typu HESI firmy
Fireye jest bezpiecznym w stosunku do innych źródeł
zapłonowych (kwacz nasączony olejem opałowym lub zapalarka gazowa z zapalarką elektryczną na 10 kV) i pew-nym eksploatacyjnie urządzeniem zapłonu tłuszczu.
Powietrze do spalania rozdzielone zostało na powie-trze „pierwotne” i powiepowie-trze „wtórne”.
Powietrze podawane jest poprzez skrzynię palnikową z odpowiednio ukształtowanym kanałem powietrza „pier-wotnego” i „wtórnego” [10]. Dla uzyskania stabilnego frontu płomienia kanał powietrza „pierwotnego” zakoń-czony jest stabilizatorem w kształcie stożka.
Optymalne prędkości powietrza, przy którym front pło-mienia jest stabilny, a skuteczność zapłonu jest 100% wynoszą: powietrze „pierwotne” 8–12 m/s, powietrze „wtórne” 20–25 m/s.
Kontrola istnienia płomienia z punktu widzenia insta-lacji jest bardzo ważnym elementem jej bezpieczeństwa [11]. Sygnał od istnienia płomienia jest jednym z głów-nych zabezpieczeń instalacji kotłowej. Właściwy dobór urządzenia dozorującego płomień ma ogromny wpływ na pewność eksploatacyjną komory spalania oraz bez-pieczeństwo obsługi i otoczenia kotłowni. Przeprowadzo-ne testy różPrzeprowadzo-nego rodzaju urządzeń dozoru płomienia wykazały, że największą powtarzalność w generowaniu sygnałów z dozorowanego płomienia posiada skaner działający w podczerwieni, posiadający dużą zdolność dyskryminacji i reagowania tylko na obecność lub brak dozorowanego płomienia i ignorowania innych źródeł płomieni z obszaru komory spalania. Najlepiej spełniają-cym te wymagania jest skaner typu 45RM4-1001 firmy
Fireye działający w podczerwieni i posiadający dużą
roz-dzielność i dyskryminację innych źródeł promieniowania. Wyniki pomiarów określające rozkład stężeń składni-ków gazowych powstałych w wyniku przemiany fazowej tłuszczu w paliwo gazowe oraz procesów pirolizy i utle-niania paliwa wzdłuż osi palnika i wzdłuż komory spala-nia przedstawiono na rysunkach 3 i 4.
Badania składu chemicznego wzdłuż żagwi płomie-nia prowadzono w komorze spalapłomie-nia przy pomocy sys-temu pomiarowego przedstawionego w [12–13]. Mierzo-no stężenie następujących składników: O2, CO, CO2, H2, H2S, CH4 oraz sumy CnHm przy pomocy analizatorów ULTRAMAT 23 typu NDIR oraz analizatora IMR-3. Pobie-rano również próbki do analizy chromatograficznej, gdzie określano stężenie C2H2, C2H4, C2H6, C3H8 oraz C4H10.
Pobór próbek gazu dokonano w osi żagwi płomienia co 50 mm począwszy od głowicy lancy palnika oraz w dal-szej części płomienia co 200 mm i 500 mm.
Pomiary temperatury żagwi płomienia wykonano za pomocą pirometru dwubarwnego, w tych samych punk-tach, co pobierano próbki gazu. Rozkład temperatury wzdłuż żagwi płomienia przedstawiono na rysunku 5.
Rys. 3. Rozkład stężeń składników gazowych wzdłuż osi palnika
Rys. 4. Rozkład stężeń produktów spalania wzdłuż osi palnika
Tłuszcz zwierzęcy jest niestabilny termicznie. W wy-sokich temperaturach przy niedoborze tlenu podlega rów-nocześnie odparowaniu i rozkładowi na węglowodory ciężkie i lekkie, które z kolei rozkładają się na wodór i tle-nek węgla. Na podstawie otrzymanych wyników prześle-dzić można drogę przejścia od fazy płynnej poprzez wę-glowodory ciężkie do węglowodorów lekkich oraz wo-doru i tlenku węgla. Przejście to jest szczególnie szybkie w sąsiedztwie głowicy palnika na odcinku do 200 mm. W bezpośrednim sąsiedztwie głowicy na odcinku do 50 mm występują prawie wyłącznie krople tłuszczu i pier-wotne frakcje zawierające głównie węglowodory ciężkie. Obecne w tej przestrzeni niewielkie ilości tlenku węgla i węglowodorów lekkich pochodzą głównie z termiczne-go rozkładu tłuszczu przez parę rozpylającą.
Rys. 5. Rozkład temperatury płomienia wzdłuż żagwi spalającego się tłuszczu
Realizacja stabilnego płomienia tłuszczu oraz całkowi-tego i zupełnego spalania, tzn. braku cząsteczek sadzy i cięż-kich Wielopierścieniowych Węglowodorów Aromatycznych (WWA) w końcu żagwi płomienia, wymaga szybkiego wy-generowania palnych składników gazowych o szerokich, stężeniowych granicach zapłonu i obecności tlenu koniecz-nego do szybkiego, częściowego utlenienia węglowodo-rów, nim rozpoczną się procesy polimeryzacji i krakingu.
Osiągnięcie wysokich stężeń wodoru, tlenku węgla, acetylenu i węglowodorów lekkich w pobliżu głowicy palnika wyjaśnia wysoką stabilność płomienia i zupełne spalanie, dzięki czemu płomień posiada dużą odporność na zerwanie i zgaśnięcie, brak również w spalinach sa-dzy i substancji szkodliwych dla otoczenia.
Rozkład temperatur żagwi płomienia tłuszczu wzdłuż komory spalania ma bardzo istotne znaczenie dla proce-su zapłonu i spalania mączki kostnej. Żagiew płomienia stanowi źródło zapłonu i stabilizacji wypalania mączki kostnej. Temperatura żagwi płomienia tłuszczu musi speł-niać jeden podstawowy warunek: musi być wyższa od minimalnej temperatury zapłonu ziaren mączki kostnej.
Według obligatoryjnych wymaań wynikających z bez-piecznego termicznego przekształcenia mączki kostnej w bezpieczne dla otoczenia produkty spalania ustalono, że minimalna temperatura ośrodka komory spalania po-winna nie być niższa od 850°C. Umiejscowienie w osi komory spalania palnika tłuszczu wymaganie to całkowi-cie spełnia. Z rysunku 5 wynika, że temperatura żagwi płomienia na całej długości komory jest znacznie wyższa od minimalnej temperatury spalania mączki kostnej.
Czoło frontu płomienia tłuszczu tworzy się w odległo-ści 20-30 mm od głowicy dyszowej lancy palnika. Tempe-ratura w czole frontu płomienia wynosi 1330°C. Żagiew pło-mienia jest w pełni ukształtowana w odległości około 200 mm od głowicy lancy. Pomiary temperatury czoła frontu płomienia były wykonywane co 100 mm, w ustabilizowa-nej części żagwi co 200 mm i co 500 mm. Temperatura żagwi płomienia na długości do 2000 mm jest ustabilizo-wana i wynosi około 1580°C. W tylnej części żagwi tempe-ratura płomienia stopniowo spada na skutek oddawania ciepła do otoczenia, by w końcowej części osiągnąć tem-peraturę ok. 1390°C. Proces spalania tłuszczu praktycznie kończy się na odcinku komory spalania poniżej 4000 mm. Z rysunku 3 wyraźnie wynika, że w odległości 3000 mm od głowicy dyszowej palnika w żagwi płomienia nie ma żadnych palnych składników gazowych, występują jedynie produkty spalania w postaci dwutlenku węgla, pary wodnej, azotu oraz niewielkie ilości tlenu.
Kinetyczna charakterystyka
mączki mięsno–kostnej
W celu przeprowadzenia badań nad charaktery-stykami kinetycznymi rozfrakcjonowano mączkę na frak-cje ziarnowe: 20–50, 50–85, 85–128, 128–156, 172–200, 200–300, 300–400, 400–500, 500–700, 700–860, 860– 1000 i 1000–1200µm.
Rozkład sitowy ziaren maczki przedstawiono na ry-sunku 6. Z krzywej rozkładu wynika, że przeważają frak-cje ziarnowe od 100 do 200 µm. Mniejszych frakcji od 100 µm jest około 15–20%, a frakcji większych od 200 µm jest poniżej 8%.
Badania nad charakterystykami kinetycznymi obejmo-wały określenie:
n minimalnej temperatury zapłonu pyłu monofrakcyjne-go w zależności od wielkości frakcji ziarnowej,
n czasu zapłonu części lotnych,
n czasu spalania części lotnych,
n czasu wypalenia pozostałości koksowej,
n całkowitego czasu spalania ziaren w zależności od wielkości frakcji ziarnowej i temperatury ośrodka.
Przeprowadzono badania procesu spalania chmury ziarnowej w atmosferze powietrza przy temperaturze ośrodka gazowego 850, 950, 1050, 1150 i 1250°C w pie-cu opadowym. Badania nad minimalną temperaturą za-płonu ziaren mączki przeprowadzono dla pojedynczych ziaren metodą „igły kwarcowej”.
Minimalna temperatura zapłonu
Minimalną temperaturę zapłonu ziaren maczki przed-stawiono na rysunku 7.
Jako minimalną temperaturę przyjęto temperaturę ośrodka gazowego, przy której następuje zapłon i wypa-lanie ziarna.
Rys. 6. Rozkład ziarnowy mączki mięsno-kostnej
Rys. 7. Minimalna temperatura zapłonu w zależności od wielkości ziarna
Najwyższą temperaturę zapłonu posiadają ziarna o najmniejszych wymiarach. Najmniejsze frakcje ziarno-we wymagają do zapłonu temperatury ośrodka gazoziarno-we- gazowe-go od 400 do 500°C. Frakcje ziarnowe o średnicy od 100 do 200 µm zapalają się w temperaturze ośrodka od 320 do 360°C. Najniższą temperaturę zapłonu posiadają frak-cje powyżej 200µm. Minimalna temperatura zapłonu tych frakcji bardzo niewiele zależy od średnicy ziarna i zawie-ra się w gzawie-ranicach 300°C.
Czas zapłonu
Zależność czasu zapłonu ziaren mączki od wielkości frakcji ziarnowej i temperatury komory spalania przed-stawiono na rysunku 8. Czas zapłonu jest praktycznie równy czasowi, w którym nastąpi termiczny rozkład sub-stancji organicznej ziarna i utworzy się mieszanka gazo-wa zdolna do zapłonu. Najniższy czas zapłonu, poniżej 1 s, mają ziarna o najmniejszych rozmiarach. Czas za-płonu ziaren rośnie z wielkością ziarna i spadkiem tem-peratury komory spalania. Ziarna najmniejsze w tempe-raturze 1250°C zapalają się po czasie ok. 0,5 s. Czas za-płonu ziaren asymptotycznie dąży ze wzrostem tempe-ratury do wartości granicznej, która jest charakterystycz-na dla danej substancji organicznej. Możcharakterystycz-na przyjąć, że główna masa frakcyjna o rozmiarach od 100 do 200 µm będzie ulegać zapłonowi w temperaturach komory spa-lania rzędu 1500°C w czasie około 0,4 s.
Czas spalania części lotnych rośnie ze wzrostem wiel-kości ziarna i maleje prawie proporcjonalnie ze wzrostem temperatury komory spalania. Wychodząc z tej zależno-ści można sądzić, że przy temperaturze komory 1500°C czas spalania części lotnych frakcji ziarnowej od 100 do 200 µm będzie wynosić 0,6 s, a najgrubszej frakcji od 1000 do 1200 µm ok. 2,6 s.
Czas spalania pozostałości koksowej w zależności od frakcji ziarnowej i temperatury komory spalania przed-stawiono na rysunku 10.
Czasy poszczególnych faz spalania
Czas spalania części lotnych dotyczy tej fazy proce-su, w którym wydzielone gazy węglowodorowe utworzą mieszaninę palną i ulegną spaleniu tworząc zamknięty front spalania wokół ziarna mączki. W czasie fazy wypa-lania części lotnych zaobserwowano wybuchowy charak-ter procesu. Dotyczyło to szczególnie frakcji ziarnowych o najwyższych rozmiarach. W początkowej fazie procesu części lotne wydzielają się w sposób wybuchowy powo-dując rozrywanie się dużych ziaren na małe fragmenty.
Zależność czasu wypalania się części lotnych od wiel-kości frakcji ziarnowej i temperatury komory spalania przedstawiono na rysunku 9.
Rys. 8. Czas zapłonu ziaren mączki
w zależności od średnicy ziarna i temperatury komory
Rys. 9. Czas wypalania się części lotnych w zależności od średnicy ziarna i temperatury komory
Rys. 10. Czas wypalania się pozostałości koksowej w zależności od średnicy ziarna i temperatury komory
Czas wypalania pozostałości koksowej w niewielkim stopniu zależy od średnicy ziarna i temperatury komory spalania. Niewielki wpływ średnicy ziarna na czas wypa-lania pozostałości koksowej wynika z rozpadu ziarna w czasie termicznego nagrzewu oraz fazy wydzielania i spalania części lotnych. Szybki nagrzew, tym większy im wyższa jest temperatura komory spalania, powoduje detonacyjne wydzielanie się części lotnych i rozerwanie ziarna na małe fragmenty. Można przypuszczać, że w tem-peraturze 1500–1600°C szybkość nagrzewu ziaren bę-dzie tak wysoka, że nastąpi detonacyjny rozpad ziarna na małe fragmenty, które będą ulegały spaleniu razem z częściami lotnymi.
Proces spalania ziaren mączki będzie się wówczas składał jedynie z fazy nagrzewu i fazy wydzielania i spa-lania części lotnych, bez fazy spaspa-lania karbonizatu. Cał-kowity czas spalania ziaren mączki mięsno-kostnej w funk-cji frakfunk-cji ziarnowej i temperatury komory spalania przed-stawiono na rysunku 11.
Całkowity czas spalania ziaren mączki w dość dużym stopniu zależy od średnicy ziarna i temperatury spalania. Wyraźna zależność czasu spalania od temperatury ko-mory jest szczególnie widoczna w obszarze niskich tem-peratur spalania. W miarę wzrostu temtem-peratury komory spalania czas wypalania ziaren mączki asymptotycznie dąży do wartości granicznej, która dla ziaren 100–200 µm wynosi ok. 2 s.
Całkowity czas spalania ziaren w najwyższym stop-niu zależy od termicznej pirolizy i czasu wypalania wy-dzielonych części lotnych. Faza termicznego rozkładu i spalania wydzielonych gazów pirolitycznych determinuje proces spalania ziaren mączki.
Wnioski
1. Przebadane materiały posiadają stosunkowo niskie wartości opałowe w stanie roboczym. Dla stabilnego i nieszkodliwego dla otoczenia procesu spalania wy-magają stabilizacji termicznej przy pomocy paliwa o wysokim cieple spalania.
2. W procesie termicznej utylizacji spalać się będą z do-datnim efektem termicznym, co pozwoli odnieść korzy-ści ekonomiczne w postaci wytworzonej pary lub gorą-cej wody.
3. Spaliny nie zawierają substancji szkodliwych dla at-mosfery.
4. Popiół nie zawiera pierwiastków metali ciężkich ani związków zagrażających otoczeniu, zwłaszcza glebie. 5. Utylizacja termiczna przebadanych produktów odpado-wych przy zrealizowaniu procesu całkowitego i zupełne-go spalania jest właściwym kierunkiem do osiągnięcia pozytywnych efektów ekonomicznych i ekologicznych. 6. W czasie utylizacji proces spalania odpadów zwierzęcych
nie jest uciążliwy dla otoczenia. Nie stwierdzono przy-krych zapachów wydzielających się w czasie procesu spalania, jak również w wychodzących z komina spali-nach oraz w popiele odprowadzanym na składowisko. 7. Termiczna utylizacja odpadów zwierzęcych przynieść
może duże efekty ekonomiczne wynikające z oszczęd-ności za opłaty utylizacyjne uiszczane dla obcych jed-nostek gospodarczych oraz z tytułu oszczędności na paliwie konwencjonalnym do wytworzenia określonej ilo-ści ciepła technologicznego dla zakładu.
8. Umieszczenie palnika gazodynamicznego do spala-nia zapewspala-nia zapłon i spalanie mączki mięsno-kost-nej. Wysoka temperatura żagwi płomienia tłuszczowe-go (ok. 1580°C) w pełni zabezpiecza zapłon mączki mięsno-kostnej.
LITERATURA
[1] Zgłoszenie patentowe P360207 z dnia 19.05.2003 r. pt. „Sposób i instalacja spalania odpadów zwierzęcych” [2] Zgłoszenie patentowe P362586 z dnia 02.10.2003 r. pt.
„Sposób i urządzenia do termicznej utylizacji odpadów or-ganicznych”
[3] Patent nr 175529 z dnia 05.11.1994 r. pt. „Sposób i układ automatycznego sterowania pracą gazodynamicznych pal-ników mazutowych, rozpałkowo-podtrzymujących w ko-tłach energetycznych”
[4] Patent nr 181624 z dnia 18.01.1997 r. pt. „Układ zapłonu ciężkich paliw płynnych w komorze spalania kotła ener-getycznego”
[5] Zgłoszenie patentowe P351191 z dnia 14.12.2001 r. pt. „Zespół dozoru płomienia ”
[6] Patent nr 165780 z dnia 18.02.1990 r. pt. „Węzeł armatury trzypalnikowej do współpracy z palnikiem mazutowym rozpałkowym, zwłaszcza do rozpalania kotłów energetycz-nych”
[7] Patent nr 162314 z dnia 19.02.1990 r. pt. „Sposób chło-dzenia i czyszczenia głowicy palnika olejowego dwuczyn-nikowego, układ do chłodzenia, czyszczenia głowicy pal-nika olejowego dwuczynnikowego”
[8] Patent nr 164172 z dnia 01.10.1990 r. pt. „Palnik do spala-nia paliwa ciekłego”
[9] Karcz H., Adynowski J., Sokołowski P.: System zapłonu palników olejowych. Prace Naukowe ITCiMP Politechniki
Wrocławskiej, zeszyt nr 56, seria Konferencje nr 10
[10] Karcz H., Sikorski W., Przegaliński K., Butmankiewicz J.: Problemy stabilności płomieni olejowych w palnikach wiel-kiej mocy. Krajowa Konferencja Energetyczna, Poznań – Rydzyna 20-22 października 1999
[11] Adynowski J, Sokołowski P., Karcz H.: System dozoru pło-mienia dla kotłów energetycznych i ciepłowniczych.
Pra-ce Naukowe ITCiMP Politechniki Wrocławskiej, zeszyt nr
56, seria Konferencje nr 10
[12] Karcz H., Butmankiewicz J., Andryjowicz C.: Stabilność eksploatacyjna palników. Tamże
[13] Karcz H., Andryjowicz Cz, Przegaliński K.: Stabilność, pew-ność eksploatacyjna palników olejowych wielkiej mocy.
Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, seria Elektryka,
nr 255/2000, zeszyt nr 49
[14] Karcz H., Zembrzuski M.: Kinetyczne charakterystyki pa-liw stałych w świetle ich fizykochemicznych własności.
Archiwum Energetyki 1974, nr 3
Rys.11. Całkowity czas wypalania ziaren mączki w zależności od średnicy ziarna i temperatury komory
